.

((هذه المقالة ليس لها ترجمة بالعربية علي موقع ويكيبيديا))…

ترجمة وإعداد/ م. عبد المجيد أمين الجندي Abdul-Majid Elgendy .

.

مقدمة

 

التحكم في الوضعية Attitude Control هو عملية التحكم في اتجاه مركبة فضائية Aerospace Vehicle نسبة إلي إطار مرجعي بالقصور الذاتي Inertial Frame of Reference أو كيان آخر مثل الكرة السماوية Celestial Sphere أو نسبة إلي مكان ما Certain Fields أو أشياء قريبة ، إلخ.

 

التحكم في وضعية مركبة Vehicle Attitude يتطلب:

 

• أجهزة استشعار Sensors لقياس اتجاه المركبة،

 

• و يتطلب مشغلات Actuators لتطبيق عزم الدوران اللازم لتوجيه المركبة إلى الوضعية Attitude المطلوبة،

 

• والخوارزميات Algorithms اللازمة لقيادة المشغلات Actuators بناءً على قياسات المستشعر Sensor للوضعية الحالية،

 

• والمواصفات Specification الخاصة بالوضعية المطلوب.

 

المجال المتكامل الذي يدرس مجموعة أو منظومة مكونة من كلا من أجهزة الاستشعار Sensors والمشغلات Actuators والخوارزميات Algorithms يُطلق عليه التوجيه والملاحة والتحكم Guidance, Navigation and Control (GNC) .

.

التحكم في وضعية الطائرات Aircraft Attitude Control

 

يتم عمل استقرار لوضعية الطائرة في ثلاثة اتجاهات:

 

• الانعراج Yaw : والأنف Nose لليسار أو لليمين حول محور يتحرك لأعلى ولأسفل؛

 

• الانحدار Pitch : الأنف لأعلى أو لأسفل حول محور يمتد من جناح إلى جناح؛

 

• لفة Roll : دوران حول محور يمتد من الأنف إلى الذيل.

 

المصاعد Elevators (الجنيحات المتحركة Moving Flaps على الذيل Tail الأفقي) تنتج الميل أو الانحدار Pitch ، والدفة Rudder على الذيل العمودي تنتج الانعراج Yaw ، والجنيحات Ailerons (أسطح الطيران Flaps الموجودة على الأجنحة التي تتحرك في اتجاهات معاكسة) تنتج لفة Roll .

.

التحكم في وضعية المركبة الفضائية Spacecraft attitude control

 

يجب عادةً التحكم في وضعية المركبة الفضائية وعمل اتزان لها لعدة أسباب منها:

 

• غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى توجيه هوائي المركبة الفضائية عالي الكسب High-Gain Antenna إلى الأرض بدقة من أجل الاتصالات Communications ،

 

• بحيث يمكن للتجارب على متن المركبة Onboard Experiments أن تحقق توجيهًا دقيقًا لجمع البيانات وتفسيرها لاحقًا ،

 

• بحيث يمكن لتأثيرات التدفئة والتبريد الناتجة عن أشعة الشمس والظل تستخدم بذكاء للتحكم الحراري Thermal Control ،

 

• وأيضًا للتوجيه Guidance : يجب تنفيذ مناورات دفع قصيرة Short Propulsive Maneuvers في الاتجاه الصحيح.

.

أنواع الاستقرار Types of stabilization

 

هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق الاستقرار في التحكم في الوضعية Stabilizing Attitude Control على المركبات الفضائية:

 

يتم تحقيق استقرار الدوران Spin Stabilization عن طريق ضبط دوران المركبة الفضائية ، باستخدام الحركة الجيروسكوبية Gyroscopic Action لكتلة المركبة الفضائية الدوارة كآلية تثبيت. يتم إطلاق محركات الدفع لنظام الدفع Propulsion System Thrusters من حين لآخر فقط لإجراء التغييرات المرغوبة في معدل الدوران Spin Rate ، أو في الوضعية المستقرة بالدوران Spin-Stabilized Attitude . إذا كان هناك رغبة في ذلك ، يمكن إيقاف الدوران Spinning من خلال استخدام الدافعات Thrusters أو عن طريق استخدام yo-yo de-spin . مسبار الفضاء Pioneer 10 و Pioneer 11 في النظام الشمسي الخارجي أمثلة على المركبات الفضائية المستقرة بالدوران Spin-Stabilized Spacecraft .

 

التثبيت ثلاثي المحاور Three-Axis Stabilization هو طريقة بديلة للتحكم في وضعية المركبة الفضائية حيث يتم تثبيت المركبة الفضائية في الاتجاه المطلوب دون أي دوران Rotation .

 

تتمثل إحدى الطرق في استخدام دافعات صغيرة Thrusters لدفع المركبة الفضائية باستمرار ذهابًا وإيابًا داخل النطاق الميت Deadband من خطأ الوضعية المسموح به Allowed Attitude Error . يمكن أيضًا الإشارة إلى الدفاعات (محركات الدفع الصغيرة) Thrusters على أنها أنظمة التحكم بطرد كتلة Mass-Expulsion Control (MEC) Systems ، أو أنظمة التحكم في رد الفعل Reaction Control Systems (RCS) . المسباران الفضائيان Voyager 1 و Voyager 2 يستخدمان هذه الطريقة ، وقد استهلكا حوالي ثلاثة أرباع من 100 كجم من الوقود الدافع اعتبارًا من يوليو 2015 م.

 

هناك طريقة أخرى لتحقيق الاستقرار ثلاثي المحاور Three-Axis Stabilization وهي استخدام عجلات رد الفعل تعمل بالطاقة الكهربائية Electrically Powered Reaction Wheels ، وتسمى أيضًا عجلات الزخم/عجلات العزم Momentum Wheels ، والتي يتم تركيبها على ثلاثة محاور متعامدة على متن المركبة الفضائية. إنها توفر وسيلة لمبادلة العزم الزاوي ذهابًا وإيابًا بين المركبات الفضائية والعجلات Wheels . لتدوير المركبة على محور معين ، يتم تسريع عجلة رد الفعل Reaction Wheel الموجودة على هذا المحور في الاتجاه المعاكس. لتدوير المركبة في الاتجاه المعاكس ، يتم إبطاء العجلة. عزم الدوران/ العزم الزاوي/الزخم الزائد Excess Momentum الذي يتراكم في النظام بسبب العزوم الخارجية External Torques الناتجة من ، على سبيل المثال ، ضغط الفوتون الشمسي Solar Photon Pressure أو تدرجات الجاذبية Gravity Gradients ، يجب إزالته من حين لآخر من النظام عن طريق تطبيق عزم دوران Torque متحكم فيه على المركبة الفضائية للسماح للعجلات بالعودة إلى السرعة المطلوبة وتحت تحكم الكمبيوتر Computer Control . يتم ذلك أثناء مناورات تسمى مناورات إزالة الزخم Momentum Desaturation Maneuvers أو مناورات تفريغ الزخم Momentum Unload Maneuvers . تستخدم معظم المركبات الفضائية الدافعات Thrusters لتطبيق عزم الدوران Torque لمناورات إزالة التشبع Desaturation Maneuvers . تم استخدام أسلوب مختلف في تلسكوب هابل الفضائي ، الذي كان يحتوي على بصريات حساسة يمكن أن تتلوث بعادم الدافع ، وبدلاً من ذلك استخدم أدوات العزم المغناطيسي Magnetic Torquers لمناورات إزالة التشبع Desaturation Maneuvers .

 

هناك مزايا وعيوب لكل من طريقتي الاستقرار بالدوران Spin Stabilization والتثبيت ثلاثي المحاور Three-Axis Stabilization .

 

توفر المركبة المستقرة بالدوران Spin-Stabilized Craft حركة تَمشِيط Sweeping Motion مستمرة مرغوبة لأدوات وأجهزة قياس المجالات Fields والجسيمات Particles ، بالإضافة إلى بعض أدوات المسح الضوئي Optical Scanning Instruments ، ولكنها قد تتطلب أنظمة معقدة لتثبيت الهوائيات De-Spin Antennas أو لتثبيت الأدوات البصرية Optical Instruments التي يجب توجيهها إلى أهداف الرصد العلمي أو إجراء الاتصالات مع الأرض.

 

المركبة التي يتم التحكم فيها بثلاثة محاور Three-Axis Controlled Craft يمكنها توجيه الأدوات الضوئية والهوائيات دون الحاجة إلى تثبيتها De-Spin ، ولكن قد يتعين عليهم إجراء مناورات دوارة Rotating Maneuvers خاصة للاستفادة بشكل أفضل من الأجهزة الخاصة بها لقياس المجالات والجسيمات. إذا تم استخدام الدافعات Thrusters لتحقيق الاستقرار الروتيني Routine Stabilization ، فيجب تصميم عمليات الرصد الضوئي Optical Observations مثل التصوير Imaging مع العلم أن المركبة الفضائية تتأرجح دائمًا ببطء ذهابًا وإيابًا Slowly Rocking Back And Forth ، ولا يكون دائما متوقع بشكل تام. توفر عجلات رد الفعل Reaction wheels مركبة فضائية أكثر ثباتًا يمكن من خلالها إجراء عمليات الرصد Observations ، لكنها:

 

• تضيف كتلة إلى كتلة المركبة الفضائية Add mass to the spacecraft ،

 

• ولديها عمر ميكانيكي محدود Limited Mechanical Lifetime ،

 

• وتتطلب عجلات رد الفعل مناورات متكررة لإزالة التشبع بالزخم (بالعزم) Require Frequent Momentum Desaturation Maneuvers ، والتي يمكن أن تزعج حلول الملاحة Navigation Solutions بسبب التسارع الناتج عن استخدام الدوافع Thrusters .

.

التمفصل Articulation

 

تحتوي العديد من المركبات الفضائية على مكونات تتطلب تمفصلًا Articulation (وجود مفاصل). تم تصميم فوييجر Voyager وجاليليو Galileo ، على سبيل المثال ، بمنصات مسح Scan Platforms لتوجيه الأدوات البصرية إلى أهدافها بشكل مستقل إلى حد كبير عن اتجاه المركبة الفضائية. تمتلك العديد من المركبات الفضائية ، مثل المركبات المدارية المريخية Mars Orbiters ، ألواحًا شمسية Solar Panels يجب أن تتعقب الشمس حتى تتمكن من توفير الطاقة الكهربائية للمركبة الفضائية. كانت فوهات المحرك Engine Nozzles الرئيسية لكاسيني قابلة للتوجيه Steerable . تتطلب معرفة مكان توجيه لوحة شمسية أو منصة مسح أو فوهة – أي كيفية عمل حركة مفصلية – معرفة وضعية المركبة الفضائية. نظرًا لأن نظامًا فرعيًا Subsystem واحدًا يتتبع وضعية المركبة الفضائية و يتتبع موقع الشمس وموقع الأرض ، فيمكنه حساب الاتجاه الصحيح لتوجيه تلك الزوائد Appendages . يقع منطقيًا في نفس النظام الفرعي – النظام الفرعي للتحكم في الوضعية والتمفصل Attitude and Articulation Control Subsystem (AACS) ، بعد ذلك ، لإدارة كل من الوضعية Attitude والتمفصل Articulation . يمكن حتى استخدام اسم (النظام الفرعي للتحكم في الوضعية والتمفصل AACS) في مركبة فضائية حتى لو لم يكن لها ملحقات ذات مفاصل.

.

التمثيل الهندسي Geometry

 

الوضعية Attitude هي جزء من وصف كيفية وضع الكائن في المساحة التي يشغلها. الوضعية Attitude والموقع Position يصفان بشكل كامل كيفية وضع الكائن في الفضاء. (بالنسبة لبعض التطبيقات مثل الروبوتات ورؤية الكمبيوتر Computer Vision ، من المعتاد الجمع بين الوضعية Attitude والموقع Position معًا في وصف واحد يُعرف باسم Pose.)

 

يمكن وصف الوضعية Attitude باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب ؛ ومع ذلك ، فإن الأكثر شيوعًا هي مصفوفات التدوير Rotation Matrices ، أو الرباعيات Quaternions ، أو زوايا أويلر Euler Angles . في حين أن زوايا أويلر هي في كثير من الأحيان أكثر التمثيلات للوضعية والتي يمكن تصورها مباشرة ، فإنها يمكن أن تسبب مشاكل للأنظمة عالية القدرة على المناورة Highly-Maneuverable Systems بسبب ظاهرة تعرف باسم قفل النقاط المحورية Gimbal lock. من ناحية أخرى ، توفر مصفوفة الدوران Rotation Matrix وصفًا كاملاً للوضعية على حساب طلب تسع قيم Nine Values بدلاً من ثلاثة. يمكن أن يؤدي استخدام مصفوفة الدوران Rotation Matrix إلى زيادة النفقات الحسابية Computational Expense وقد يكون من الصعب التعامل معها. تقدم الرباعية Quaternions حلاً وسطًا لائقًا من حيث أنها لا تعاني من مشكلة ظاهرة قفل النقاط المحورية Gimbal lock وتتطلب فقط أربع قيم لوصف الوضعية بشكل كامل.

.

الحساسات والمستشعرات Sensors

 

حساسات الوضعية النسبية Relative Attitude Sensors

 

تنتج العديد من الحساسات مخرجات تعكس معدل التغيير في الوضعية Rate of Change in Attitude . هذه تتطلب وضعية مبدئية معروفة ، أو معلومات خارجية لاستخدامها لتحديد الوضعية. العديد من هذه الفئة من الحساسات (أجهزة الاستشعار) لديها بعض الضوضاء Noise ، مما يؤدي إلى عدم الدقة إذا لم يتم تصحيحها بواسطة حساسات الوضعية المطلقة Absolute Attitude Sensors .

.

الجيروسكوبات Gyroscopes

 

الجيروسكوبات Gyroscopes هي أجهزة تستشعر الدوران في الفضاء ثلاثي الأبعاد دون الاعتماد على مراقبة الأجسام الخارجية. تقليديًا ، يتكون الجيروسكوب Gyroscope من كتلة تدور ، ولكن هناك أيضًا “جيروسكوب ليزر حلقي Ring Laser Gyros” يستخدم ضوءًا متماسكًا Coherent Light ينعكس حول مسار مغلق. نوع آخر من “الجيروسكوب Gyro” هو الجيروسكوب الرنان نصف الكروي Hemispherical Resonator Gyro حيث يمكن دفع كوب بلوري Crystal Cup على شكل كأس إلى التذبذب تمامًا مثلما يحدث مع كأس (يصدر صوتا) عندما يتم فرك الإصبع حول حافته. يتم تحديد اتجاه التذبذب في الفضاء بالقصور الذاتي ، لذلك يمكن استخدام قياس اتجاه التذبذب بالنسبة للمركبة الفضائية لاستشعار حركة المركبة الفضائية فيما يتعلق بالفضاء بالقصور الذاتي.

.

وحدات مرجعية الحركة Motion Reference Units MRUs

 

وحدات مرجعية الحركة Motion Reference Units هي نوع من وحدات القياس بالقصور الذاتي Inertial Measurement Unit ذات مستشعرات الحركة أحادية أو متعددة المحاور Single- or Multi-Axis Motion Sensors . تلك الوحدات تستخدم جيروسكوبات من النوع MEMS . بعض وحدات مرجعية الحركة متعددة المحاور Multi-Axis MRUs قادرة على قياس التدحرج Roll والميل Pitch والانعراج Yaw والارتفاع Heave . هناك تطبيقات خارج مجال الطيران لتلك الوحدات ، مثل:

 

• تعويض واستقرار حركة الهوائي Antenna motion compensation and stabilization .

 

• تحديد المواقع الديناميكي Dynamic positioning .

 

• تعويض الرفع في الرافعات البحرية Heave compensation of offshore cranes .

 

• أنظمة التحكم في الحركة عالية السرعة للطائرات High speed craft motion control و أنظمة التخميد damping systems .

 

• تحديد المواقع المائية الصوتية Hydro acoustic positioning .

 

• تعويض الحركة لمكبرات الصدى الأحادية والمتعددة Motion compensation of single and multibeam echosounders .

 

• قياسات موجات المحيط Ocean wave measurements .

 

• مراقبة حركة الهيكل البحري Offshore structure motion monitoring .

 

• قياسات الاتجاه والوضعية Orientation and Attitude Measurements على المركبات ذاتية القيادة تحت الماء Autonomous Underwater Vehicles والمركبات التي تعمل عن بعد تحت الماء Remotely operated underwater vehicles .

 

• مراقبة حركة السفن Ship Motion Monitoring .

.

حساسات الوضعية المطلقة Absolute Attitude Sensors

 

تستشعر هذه الفئة من المستشعرات Sensors موقع Position أو اتجاه Orientation المجالات Fields أو الأشياء أو الظواهر الأخرى خارج المركبة الفضائية.

 

جهاز استشعار الأفق Horizon Sensor

 

مستشعر الأفق Horizon Sensor هو أداة بصرية ضوئية Optical Instrument تكتشف الضوء من “حافة Limb” الغلاف الجوي للأرض ، أي في الأفق Horizon . غالبًا ما يستخدم الاستشعار الحراري بالأشعة تحت الحمراء Thermal Infrared Sensing ، والذي يستشعر الدفء النسبي Comparative Warmth للغلاف الجوي ، مقارنة بالخلفية الكونية Cosmic Background الأكثر برودة. يوفر هذا المستشعر الاتجاه orientation نسبة إلي الأرض حول محورين متعامدين Orthogonal Axes . يميل هذا المستشعر إلى أن يكون أقل دقة من المستشعرات القائمة على الملاحظة النجمية Stellar Observation . يشار إليه أحيانًا باسم مستشعر الأرض Earth sensor .

.

البوصلة الجيروسكوبية المدارية Orbital Gyrocompass

 

على غرار طريقة البوصلة الجيروسكوبية الأرضية Terrestrial Gyrocompass التي تستخدم فيها البندول Pendulum لاستشعار الجاذبية المحلية وإجبار الجيروسكوب على محاذاة متجه دوران الأرض Earth’s Spin Vector ، وبالتالي الإشارة إلى الشمال North ، تستخدم البوصلة الجيروسكوبية المدارية مستشعر الأفق Horizon Sensor لاستشعار الاتجاه نحو مركز الأرض ، وجيروسكوب Gyro بمعنى دوران حول محور طبيعي بالنسبة لمستوى المدار Orbit Plane . وهكذا ، يوفر مستشعر الأفق قياسات درجة الانحدار Pitch Measurement وقياسات الالتفاف Roll Measurement ، بينما يوفر الجيروسكوب الانعراج Yaw .

.

مستشعر الشمس Sun Sensor

 

مستشعر الشمس Sun Sensor هو جهاز يستشعر اتجاه الشمس. يمكن أن يكون هذا بسيطًا مثل بعض الخلايا الشمسية Solar Cells والظلال shades ، أو معقدًا مثل التلسكوب القابل للتوجيه Steerable Telescope ، اعتمادًا على متطلبات المهمة.

.

مستشعر الأرض Earth Sensor

 

مستشعر الأرض Earth Sensor هو جهاز يستشعر الاتجاه نحو الأرض. عادة ما تكون عبارة عن كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء Infrared Camera ؛ في الوقت الحاضر ، الطريقة الرئيسية لاكتشاف الوضعية هي استخدام متتبع النجوم Star Tracker ، ولكن لا تزال مستشعرات الأرض Earth Sensors مدمجة في الأقمار الصناعية لتكلفتها المنخفضة وموثوقيتها.

.

متتبع النجوم Star Tracker

 

متتبع النجوم هو جهاز بصري يقيس موقع (مواقع) النجم (النجوم) باستخدام خلية (خلايا) ضوئية أو كاميرا. يستخدم مقدار السطوع Brightness والنوع الطيفي Spectral Type لتحديد ثم حساب الموقع النسبي للنجوم من حول المركبة.

.

مقياس المغناطيسية Magnetometer

 

مقياس المغناطيسية Magnetometer هو جهاز يستشعر قوة المجال المغناطيسي Magnetic Field (عند استخدامه في ثلاثي المحاور Three-Axis Triad)، ويستشعر اتجاه المجال المغناطيسي Magnetic Field Direction . كمساعد ملاحي للمركبة الفضائية Spacecraft Navigational Aid ، تتم مقارنة قوة المجال المحسوس واتجاهه بخريطة المجال المغناطيسي للأرض المخزنة في ذاكرة كمبيوتر التوجيه الموجود على متن المركبة On-Board Guidance Computer أو موجود علي الأرض Ground-Based Guidance Computer . إذا كان موقع المركبة الفضائية معروفًا ، فيمكن استنتاج الوضعية Attitude .

.

تحديد الوضعية Attitude determination

 

قبل التمكن من التحكم في الوضعية ، يجب تحديد الوضعية الحالية. لا يمكن قياس الوضعية مباشرة من خلال أي قياس منفرد ، ولذلك يجب حسابها (أو تقديرها) من خلال مجموعة من القياسات (غالبًا باستخدام مستشعرات وحساسات مختلفة). يمكن القيام بذلك إما بشكل ثابت Statically (حساب الوضعية باستخدام القياسات المتاحة حاليًا فقط) ، أو من خلال استخدام مرشح إحصائي Statistical Filter (الأكثر شيوعًا ، هو مرشح كالمان Kalman filter) الذي يجمع إحصائيًا بين تقديرات الوضعية السابقة مع قياسات المستشعر الحالية للحصول على تقدير أمثل للوضعية الحالية.

 

بالنسبة لبعض المستشعرات وبعض التطبيقات (مثل المركبات الفضائية التي تستخدم مقاييس المغناطيسية Magnetometers) ، يجب أيضًا معرفة الموقع الدقيق. في حين يمكن استخدام تقدير Estimation للوضع ، بالنسبة للمركبة الفضائية ، عادة ما يكون كافياً أن يتم تقدير الموقع Position (عبر تحديد المدار Orbit Determination) بشكل منفصل عن تقدير الوضعية Attitude . بالنسبة للمركبات الأرضية Terrestrial Vehicles والمركبات الفضائية التي تعمل بالقرب من الأرض ، فإن ظهور أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية Satellite Navigation Systems يسمح بالحصول على معرفة دقيقة بالموقع بسهولة. تصبح هذه المشكلة أكثر تعقيدًا بالنسبة لمركبات الفضاء السحيق Deep Space Vehicles ، أو المركبات الأرضية العاملة في البيئات المحرومة من النظام العالمي للملاحة بالأقمار الصناعية Global Navigation Satellite System (GNSS) .

.

طرق تقدير الوضعية الثابتة Static Attitude Estimation Methods

 

طرق تقدير الوضعية الثابتة Static Attitude Estimation Methods تعتبر حلولاً لمشكلة واهبا Wahba’s Problem (جراسى واهبا Grace Wahba عالمة رياضيات من أمريكا) . تم اقتراح العديد من الحلول ، ولا سيما طريقة دافنبورت Davenport’s q-method ، و طريقة كويست QUEST ، و طريقة ترياد TRIAD ، و طريقة تحليل القيمة المفردة Singular Value Decomposition .

.

طرق التقدير المتسلسل Sequential Estimation Methods

 

يمكن استخدام ترشيح كالمان Kalman Filtering لتقدير الوضعية بالتتابع Sequentially Estimate the Attitude ، وكذلك تقدير المعدل الزاوي Angular Rate . نظرًا لأن ديناميكيات الوضعية Attitude Dynamics (مزيج من ديناميكيات الجسم الصلب Rigid Body Dynamics وديناميكيات الوضعية Attitude Kinematics) هي غير خطية Non-Linear ، فإن مرشح كالمان الخطي linear Kalman filter غير كافٍ. نظرًا لأن ديناميكيات الوضعية Attitude Dynamics ليست غير خطية تمامًا ، فإن مرشح كالمان الموسع Extended Kalman filter يكون عادةً كافيًا (ومع ذلك ، أظهر كراسيديس Crassidis و ماركلي Markely أنه يمكن استخدام مرشح كالمان غير المعطر Unscented Kalman Filter UKF ، ويمكن أن يوفر فوائد في الحالات التي يكون فيها التقدير الأولي ضعيفًا). تم اقتراح طرق متعددة ، ولكن مرشح كالمان الموسع المضاعف Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF) هو إلى حد بعيد النهج الأكثر شيوعًا. يستخدم هذا النهج الصيغة المضاعفة Multiplicative Formulation لخطأ الكواتيرنيون Error Quaternion ، والذي يسمح بمعالجة القيد علي توحيد الكواتيرنيون بشكل أفضل.

 

من الشائع أيضًا استخدام تقنية تُعرف باسم استبدال النموذج الديناميكي dynamic model replacement ، حيث لا يتم تقدير المعدل الزاوي Angular Rate بشكل مباشر ، ولكن يتم استخدام المعدل الزاوي المقاس من الدوران مباشرة لنشر ديناميات الدوران Rotational Dynamics للأمام في الوقت المناسب. هذا صالح لمعظم التطبيقات حيث أن الجيروسكوب عادة ما تكون أكثر دقة بكثير من معرفة المرء بعزوم دوران الاضطراب التي تعمل على النظام (وهو أمر مطلوب لتقدير دقيق للمعدل الزاوي).

.

خوارزميات التحكم Control Algorithms

 

خوارزميات التحكم Control Algorithms هي برامج كمبيوتر تتلقى البيانات من مستشعرات المركبة وتستنتج الأوامر المناسبة للمشغلات Actuators لتدوير المركبة إلى الوضع المطلوب. تتراوح الخوارزميات من بسيطة جدًا ، على سبيل المثال التحكم النسبي Proportional Control ، إلى خوارزميات التقدير المعقدة وغير الخطية Complex Nonlinear Estimators أو العديد من الأنواع بين هذين النوعين ، اعتمادًا على متطلبات المهمة. عادةً ما تكون خوارزميات التحكم في الوضعية جزءًا من البرنامج الذي يتم تشغيله على الأجهزة ، والذي يتلقى أوامر من الأرض وينسق قياس بيانات المركبة عن بُعد Telemetry لإرسالها إلى محطة أرضية.

 

تتم كتابة وتنفيذ خوارزميات التحكم في الوضعية بناءً على متطلبات مناورة وضعية معينة. إلى جانب تنفيذ التحكم السلبي في الوضعية Passive Attitude Control مثل تثبيت الجاذبية والتدرج Gravity-Gradient Stabilization ، تستخدم معظم المركبات الفضائية التحكم النشط Active Control الذي يقدم دائرة التحكم في الوضعية Attitude Control Loop النموذجية. يعتمد تصميم خوارزمية التحكم على المشغل Actuator المراد استخدامه لمناورة محددة للوضعية على الرغم من أن استخدام وحدة تحكم تفاضلي-تناسبي-تكاملي proportional–integral–derivative controller (PID controller) تلبي معظم احتياجات التحكم.

.

المشغلات Actuators

 

يمكن أن يتم التحكم في الوضعية من خلال عدة آليات ، ومنهاعلى وجه التحديد:

 

محركات الدفع Thrusters

 

دافعات فيرنير Vernier Thrusters (نوع من محركات الدفع) هي المحركات الأكثر شيوعًا ، حيث يمكن استخدامها لحفظ المحطة Station Keeping أيضًا. يجب ترتيب وتنظيم محركات الدفع تلك في شكل منظومة System لتوفير الاستقرار حول جميع المحاور الثلاثة ، ويتم استخدام محركي دفع اثنين على الأقل بشكل عام في كل محور لتوفير عزم الدوران Torque كزوج من أجل منع نقل الحركة الخطية Translation إلى المركبة. تتمثل قيودها في استهلاك الوقود وتآكل المحرك ودورات التشغيل Cycles لصمامات التحكم Control Valves . يتم تحديد كفاءة الوقود Fuel Efficiency لنظام التحكم في الوضعية من خلال الدفع النوعي Specific Impulse الخاص به (يتناسب طرديا مع سرعة العادم) وبقيمة أصغر نبضة عزم Torque Impulse يمكن أن يوفرها (والتي تحدد عدد المرات التي يجب أن تطلقها الدوافع Thrusters لتوفير تحكم دقيق). يجب إطلاق الدافعات Thrusters في اتجاه واحد لبدء الدوران ، ومرة أخرى في الاتجاه المعاكس إذا كان يجب التغيير إلي اتجاه جديد. تم استخدام منظومات الدفع Thruster Systems في معظم المركبات الفضائية المأهولة ، بما في ذلك فوستوك Vostok وميركوري Mercury و Gemini وApollo و Soyuzومكوك الفضاء Space Shuttle .

 

لتقليل القيود الخاصة بالوقود وتأثيرها على مدة المهمة ، يمكن استخدام أنظمة مساعدة للتحكم في الوضعية Auxiliary Attitude Control Systems لتقليل دوران المركبة إلى مستويات أقل ، مثل الدفاعات الأيونية Ion Thrusters الصغيرة التي تسرع الغازات المتأينة كهربائيًا إلى سرعات قصوى ، باستخدام الطاقة المستمدة من الخلايا الشمسية.

.

استقرار الدوران Spin Stabilization

 

يمكن تدوير المركبة الفضائية بأكملها لتحقيق الاستقرار في اتجاه محور واحد للمركبة. تستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لتحقيق الاستقرار في المرحلة النهائية لمركبة الإطلاق Launch Vehicle . تدور المركبة الفضائية Spacecraft بالكامل ومحرك الصاروخ الصلب Solid Rocket Motor المتصل بها حول محور دفع الصاروخ ، على “طاولة دوران Spin Table” موجهة بواسطة نظام التحكم في الوضعية Attitude Control System للمرحلة السفلية التي يتم تركيب طاولة الدوران عليها. عندما يتحقق المدار النهائي Final Orbit ، يمكن إيقاف دوران De-Spun القمر الصناعي بوسائل مختلفة ، أو تركه يدور. تثبيت الدوران Spin Stabilization للأقمار الصناعية ينطبق فقط على تلك المهمات ذات المحور الأساسي للتوجيه Primary Axis of Orientation والذي لا يحتاج إلى تغيير جذري على مدار عمر القمر الصناعي ولا يحتاج إلى توجيه Pointing عالي الدقة للغاية. كما أنه مفيد أيضًا للمهام التي تحتوي على أجهزة يجب أن تمسح مجال النجم Star Field أو سطح الأرض أو الغلاف الجوي.

.

عجلات العزم (الزخم) Momentum Wheels

 

هذه عبارة عن أجسام دوارة Rotors تعمل بمحرك كهربائي Electric Motor مصممة لتدور في الاتجاه المعاكس لذلك المطلوب لإعادة توجيه المركبة. نظرًا لأن عجلات العزم Momentum Wheels تشكل جزءًا صغيرًا من كتلة المركبة الفضائية ويتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر ، فإنها توفر تحكمًا دقيقًا. يتم تعليق عجلات العزم Momentum Wheels بشكل عام على كراسي محور (محامل) مغناطيسية Magnetic Bearings لتجنب مشاكل الاحتكاك والانهيار. للحفاظ على الاتجاه في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، يجب استخدام ثلاثة على الأقل ، مع وحدات إضافية توفر حماية من الفشل الفردي Single Failure Protection .

.

جيروسكوبات التحكم بالعزم Control Moment Gyros CMG

 

هذه عبارة عن أجسام دوارة Rotors يتم تدويرها بسرعة ثابتة ، ومثبتة على نقاط محورية Gimbals لتوفير التحكم في الوضعية. على الرغم من أن جيروسكوب التحكم بالعزم CMG يوفر التحكم في المحورين المتعامدين مع محور الدوران الجيروسكوبي Gyro Spin Axis ، لا يزال التحكم ثلاثي المحاور يتطلب وحدتين. يعد جيروسكوب التحكم بالعزم CMG أغلى قليلاً من حيث التكلفة والكتلة ، لأنه يجب توفير النقاط المحورية Gimbals ومحركات التشغيل Drive Motors الخاصة بهم. الحد الأقصى للعزم Maximum Torque (ولكن ليس الحد الأقصى لتغيير العزم الزاوي Angular Momentum) الذي تمارسه جيروسكوب التحكم بالعزم CMG أكبر من الناتج عن عجلة العزم (الزخم) Momentum Wheel ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للمركبة الفضائية الكبيرة. العيب الرئيسي هو التعقيد الإضافي ، مما يزيد من عدد نقاط الفشل Failure Points . لهذا السبب ، تستخدم محطة الفضاء الدولية مجموعة من أربعة جيروسكوبات التحكم بالعزم CMGs لتوفير تحمل مزدوج للفشل Dual Failure Tolerance .

.

أشرعة شمسية Solar Sails

 

يمكن استخدام الأشرعة الشمسية Solar Sails الصغيرة (هي أدوات تنتج الدفع كقوة رد فعل ناتجة عن انعكاس الضوء الساقط عليها) لإجراء تعديلات صغيرة على التحكم في الوضعية Attitude Control وتعديلات السرعة Velocity Adjustments . يمكن لهذا التطبيق توفير كميات كبيرة من الوقود في مهمة طويلة الأمد عن طريق إنتاج تحكم بالعزوم Control Moments بدون استهلاك وقود. على سبيل المثال ، قامت Mariner 10 بتعديل وضعيتها باستخدام الخلايا الشمسية Solar Cells والهوائيات Antennas كأشرعة شمسية صغيرة.

.

استقرار الجاذبية المتدرجة Gravity-Gradient Stabilization

 

في المدار ، المركبة الفضائية التي يكون لها محور واحد أطول بكثير من المحورين الآخرين ستتوجه تلقائيًا بحيث يشير محورها الطويل إلى مركز كتلة الكوكب. يتمتع هذا النظام بميزة عدم الحاجة إلى نظام تحكم نشط Active Control System أو استهلاك للوقود. التأثير ناتج عن قوة المد والجزر Tidal Force . يشعر الطرف العلوي للمركبة بسحب جاذبية أقل من الطرف السفلي. يوفر هذا عزم استعادة Restoring Torque عندما لا يكون المحور الطويل متناسقًا ومحاذيا لاتجاه الجاذبية. ما لم يتم توفير بعض وسائل التخميد Damping ، سوف تتأرجح المركبة الفضائية حول الوضع الرأسي المحلي. تستخدم الحبال Tethers أحيانًا لتوصيل جزأين من القمر الصناعي لزيادة استقرار العزم. مشكلة في مثل هذه الحبال هي أن النيازك الصغيرة في مثل حجم حبة الرمل يمكنها أن تقطع تلك الحبال أو الأسلاك.

.

أدوات العزم المغناطيسية Magnetic Torquers

 

الملفات Coils الكهربية أو (على الأقمار الصناعية الصغيرة جدًا) المغناطيس الدائم Permanent Magnets تبذل عزم ضد المجال المغناطيسي Magnetic Field المحلي (حول المركبة الفضائية أو القمر الصناعي). تعمل هذه الطريقة فقط في حالة وجود مجال مغناطيسي يمكن التفاعل معه. يوجد “ملف Coil” مجال كلاسيكي واحد في الواقع على شكل حبل موصل Conductive Tether في مجال مغناطيسي كوكبي Planetary Magnetic Field . يمكن أن يولد مثل هذا الحبل الموصل أيضًا طاقة كهربائية مما ينتج عنه اضمحلال مداري Orbital Decay . على العكس من ذلك ، من خلال إحداث تيار مضاد ، باستخدام طاقة الخلايا الشمسية ، يمكن رفع المدار. نظرًا للتنوع الهائل في المجال المغناطيسي للأرض Earth’s Magnetic Field عن مجال شعاعي Radial Field مثالي ، فإن قوانين التحكم القائمة على اقتران العزم Torques Coupling بهذا المجال Field ستكون غير خطية إلى حد كبير. علاوة على ذلك ، يتوفر التحكم ثنائي المحاور Two-Axis Control فقط في أي وقت معين مما يعني أن إعادة توجيه المركبة Vehicle Reorient قد يكون ضروريًا لإلغاء جميع المعدلات Rates .

.

التحكم الخامل البحت في الوضعية Pure passive Attitude Control

 

يوجد نوعان رئيسيان للتحكم الخامل Passive Control للأقمار الصناعية. الأول يستخدم تدرج الجاذبية Gravity Gradient ، وينتج عنه أربع حالات مستقرة مع المحور الطويل Long Axis (المحور ذو أصغر عزم من القصور الذاتي Moment of Inertia) الموجه نحو الأرض. نظرًا لأن هذا النظام يحتوي على أربع حالات مستقرة ، إذا كان للقمر الصناعي اتجاه مفضل ، على سبيل المثال كاميرا camera موجهة إلى الكوكب ، هناك حاجة إلى طريقة ما لقلب القمر الصناعي والحبل Tether End-For-End .

 

النظام الخامل Passive System الآخر يوجه القمر الصناعي على طول المجال المغناطيسي Magnetic Field للأرض بفضل وجود مغناطيس Magnet . الأنظمة الخاملة البحتة للتحكم في الوضعية Purely Passive Attitude Control Systems هذه تتمتع بدقة توجيه محدودة ، لأن المركبة الفضائية سوف تتأرجح حول الحدود الدنيا للطاقة Energy Minima . يتم التغلب على هذا العيب بإضافة مُخمد Damper ، والذي يمكن أن يكون مواد هستيرية Hysteretic Materials أو مخمد لزج Viscous Damper . المخمد اللزج Viscous Damper عبارة عن علبة صغيرة أو خزان سائل مركب في المركبة الفضائية ، ربما مع حواجز داخلية لزيادة الاحتكاك الداخلي. سيؤدي الاحتكاك داخل المخمد إلى تحويل طاقة التذبذب تدريجيًا إلى حرارة مشتتة داخل المخمد اللزج.

.

مراجع

 

1- Attitude Control – Wikipedia

*

اضغط هنا لتتابع صفحتنا علي الفيس بوكو

*******************************

مواضيع ذات صلة

• المسار الأرضي لمدار القمر الصناعي Satellite ground track

.

• العقد المدارية Orbital Nodes

.

• معني كلمة Cislunar

.

.